[发明专利]一种激光调谐电流波形制备功能性梯度镀层的方法及装置

说明书

本发明公开了一种激光调谐电流波形制备功能性梯度镀层的方法及装置，涉及特种加工技术中的复合加工领域。本发明通过调节激光参数既可以提升电流密度大小，又可以实现对电流变化波形的控制。激光调谐的电流密度是周期性连续变化的，能够使得生长截面呈现波纹状啮合，层与层交界面生长互相嵌入，增加切向承载应力并且不存在应力突变。除此之外，激光形成的强力微区搅拌作用以及力冲击作用能够降低镀层内部应力，增加层间结合力，提升镀层综合性能。本发明适用于高质量的功能性梯度镀层加工，能够应用于航空航天、机械工程、医疗生物等特种加工领域。

技术领域

本发明涉及特种加工技术中的复合加工领域，尤其涉及到一种激光调谐电流波形制备高质量功能性梯度镀层的方法及装置，适用于高质量的功能性梯度镀层的加工。

背景技术

功能性梯度结构指在基体上制备具有梯度结构的保护层，提高保护层与基体的结合强度，赋予材料表面新的功能，可用于航空航天、机械工程和生物医药等领域。理想的功能梯度结构应该是从基体到保护层表面实现完全的组成与结构的梯度变化。常用的方法包括等离子体喷涂、化学气相沉积、物理气相沉积及其组合制备方法。但这些方法基本上是在涂层中进行组成和结构的梯度分布，由于涂层材料的内渗限制和基体表面不可避免的钝化现象存在，仍然存在较大的界面能和界面热应力，不利于涂层与基体的结合。

电沉积是一种低成本，设备简单，便于操作的特种加工方式，尤其是能够连续控制合金成分实现大面积的工业生产。但是，电沉积在制备功能性梯度结构的过程中，由于渗氢以及电流的突变会形成的应力突变，使得镀层致密性和层间结合力差。激光是一种非接触式的加工，其具有的高能量密度和穿透性能够与电沉积形成有效复合。利用激光可以增加电流密度，调谐电流波形。电流密度的增加会使得成核加快，晶粒细化。电流密度的连续变化使得层与层交界面生长互相嵌入，不存在应力突变，且在生长过程中激光不断冲击强化压缩镀层。因此，激光能够实现对功能性梯度结构制备过程的可控性，其热力作用能够增加层间结合力，提升功能性梯度镀层的综合性能。

关于功能性梯度镀层的制备国内外学者已经进行了一定的研究。申请号为CN200410090218.7的专利中采用单槽电镀法，通过逐渐增大电流密度和控制相应的沉积时间可以制备出磷含量呈明显梯度变化的镍磷合金功能梯度镀层。其优点在于制备出的合金梯度层所具有的磷含量梯度和热膨胀系数梯度分布可以有效地缓解镀层与底材由于热膨胀系数不匹配而造成的热应力问题。但该方法在层与层之间沉积时由于突变的电流密度，仍然会造成层与层之间的应力突变以及较差的层间结合力。

申请号为CN202111664375.4的专利：一种镍钴钨梯度镀层的镀液、制备方法及电镀方法中公开了采用恒定电流、直流连续电镀，在特定的镀液成分下制备了镍钴钨梯度镀层，克服了梯度镀层电镀工艺中的电镀参数控制复杂、对电镀电源要求较高的问题。该方法针对于特定的镍钴钨梯度镀层，且根据特定的梯度结构要求实施的溶液的配比较为复杂，适用范围局限。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明提供了一种激光调谐电流波形制备功能性梯度镀层的方法。在电沉积系统引入激光辐照提高电流密度，调谐电流波形，通过调整激光参数，使得实际电流波形与制备功能性梯度镀层所需的目标电流波形在一定的误差范围内。同时，激光辐照能够细化晶粒，层与层交界面生长互相嵌入，从而不存在应力突变，激光还能够不断冲击强化压缩镀层。因此，激光能够实现对制备功能性梯度镀层的可控性，增强层间结合力，降低内部应力，提高综合性能。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

一种激光调谐电流波形制备高质量功能性梯度镀层的方法，包括以下步骤：

步骤一)在控制系统中设置激光参数和目标电流波形；

步骤二)构建电化学回路和启动脉冲激光器输出能量从而得到实际电流波形，控制系统将目标电流波形和实际电流波形进行实时对比；根据对比结果，调节步骤一)中激光参数和目标电流波形，使得实际电流波形和目标电流波形的误差在一定范围内；